Třída plus hmotnost

Nová výrobní metoda umožňuje společnosti LIMO vyrábět vysoce přesné FAC čočky ve velmi velkém množství. (Obrázek: LIMO)

LIMO je celosvětově jediným výrobcem, který dokáže vyrábět FAC čočky z skla na waferech o rozměrech 140 mm x 140 mm. (Obrázek: LIMO) / LIMO is the world’s only manufacturer with the ability to produce FAC lenses from glass on wafers measuring 140mm x 140mm. (Image: LIMO)

Společnost LIMO GmbH, výrobce vysoce přesných mikrooptik pro laserové systémy, dosáhla při výrobě FAC čoček pro všechny typy diodově napájených laserových zdrojů technického průlomu. Společnosti z Dortmundu se podařilo učinit výrobu čoček s nejvyšší přesností vhodnou pro masovou výrobu.

FAC čočky pro laserové systémy jsou klíčovou součástí pro mnoho inovativních technologií. Již se používají v letectví a kosmonautice, lékařské technice, fotovoltaice, výrobě displejů a zpracování materiálů. Očekávané počty kusů se díky použití v aditivní výrobě (3D tisk) a pro systémy LIDAR (Laserové „Light Detection and Ranging“) výrazně zvýší. Systémy LIDAR pro autonomní řízení jsou zvlášť bezpečnostně důležitou součástí a jsou navíc používány v náročném prostředí. Vyžadují nejen vysokou kvalitu, ale také bezpečný a dlouhodobě stabilní provoz. Tyto požadavky mohou splnit pouze laserové systémy s vysoce kvalitními skleněnými mikrooptikami.

Nejvýznamnější součástí pro kvalitu systémů je čočka „Fast-Axis-Kollimator“ (FAC čočka). Čočka je vyrobena z vysoce kvalitního skla a má azylindrický povrch. Současné dostupné výrobní metody však musí ještě prokázat, že jsou schopny při výrobě několika desítek nebo stovek milionů kusů udržet konzistentní vysokou optickou kvalitu za atraktivní ceny. LIMO se nyní podařilo zpřístupnit výrobu FAC čoček ve velkém měřítku s požadovanou kvalitou.

140mm wafer pro výrobu FAC čoček

Společnost LIMO GmbH vyrábí FAC čočky na základě waferů, takže lze v jednom kroku vyrobit několik tisíc čoček z vysoce kvalitního skla. Výzvou při hromadné výrobě velmi složitých skleněných optik je zpracování velkých ploch waferů při zachování vysoké přesnosti. Dortmundský výrobce dosáhl průlomu s waferem o velikosti 140 mm x 140 mm, což je krok k výrobě s velmi vysokým počtem kusů. Podle vlastních informací má LIMO již připravenou další generaci waferů větší velikosti.

U dosud běžných metod tvarování skla (lisování) jsou skleněné čočky zpracovávány při vysokých teplotách kolem 600–800 °C. Pro vysokou optickou kvalitu čoček je však nutné sklo pomalu zahřívat a chladit. Zejména proces chlazení musí být přesně nastaven, aby se zabránilo nežádoucím napětím v materiálu. Při větších plochách skla při zahřívání dochází k teplotním výkyvům, které lze minimalizovat pouze s nejvyšší technickou náročností. Tyto omezení činí „horké“ výrobní metody při velkosériové výrobě nevýhodnými a omezeně škálovatelnými.

Specifikem metody LIMO je výroba skleněných čoček při pokojové teplotě. Společnost dokázala zvětšit velikost waferů a současně zkrátit cyklus na méně než 60 minut na wafer. Výhodou „studené“ metody je, že díky zpracování skla při pokojové teplotě je vyšší výrobní rychlost při zachování kvality čoček nezávadná. LIMO je celosvětově jediným výrobcem, který tuto metodu zvládá ve velkosériové výrobě.

Tajemství kvality: Vysoce přesný brusný proces

„Jsme schopni beznapěťově zpracovat velké skleněné desky o velikosti 140 mm a větší ve velkém množství. Všechny nástroje a téměř všechny stroje pro výrobní proces vyrábíme sami. Tím dosahujeme maximální flexibility v geometrii a designu čoček. Pro extrémně vysokou kvalitu čoček ve velkosériové výrobě jsme vyvinuli automatizovaný vysoce přesný brusný proces. To je celosvětově unikátní,“ uvádí Dirk Hauschild, Chief Marketing Officer (CMO) společnosti LIMO GmbH.

S pomocí vyvinutých studených brusných a lešticích metod pro pole cylindrických čoček lze při velikosti hrany waferu 140 mm zpracovat až 20 tisíc čoček najednou. Tento proces umožňuje volbu libovolného tvaru refraktivních azylindrických čoček, což mohou být jak symetrické, tak asymetrické nebo vlnové či neperiodické optické prvky.

V průběhu jednoho brusného procesu je nutné odebrat z povrchu skla několik milimetrů s přesností několika nanometrů. Následně jsou čočky v závěrečném kroku ještě jednou dolepovány. Vysoce kvalitní povrchová úprava je dosažena plošnou lešticí metodou. Díky této metodě jsou skleněné povrchy ještě odolnější a stabilnější. Vysoce přesný brusný proces umožňuje LIMO dosáhnout u FAC čoček výkonových parametrů na hranici fyzikálních možností (viz níže v informačním boxu).

Cíl na rok 2019: Výroba přes 5 milionů FAC čoček

Zpracování skleněných waferů o velikosti 140 mm probíhá nepřetržitě 24/7. Za tímto účelem byla rozšířena výrobní kapacita a přizpůsoben strojní park větším formátům. Již nyní je možné vyrobit až 3 miliony FAC čoček ročně, přičemž cílem na rok 2019 je výroba přes 5 milionů FAC čoček. Kapacita by měla být do roku 2020 opět zvýšena na více než 10 milionů čoček ročně. „Díky zpracování skleněných waferů při pokojové teplotě je výrobní proces dobře zvládnutelný a můžeme spolehlivě garantovat vysokou kvalitu. Kapacitu dále zvýšíme podle potřeby,“ shrnuje Dirk Bogs, Chief Operating Officer (COO), dosažený výrobní standard.

Informační box: FAC čočky pro single emitter diody

„Fast-Axis-Kollimator“ čočky (FAC čočky) se používají především pro single emitter diody. Čočky jsou navrženy pro malou šířku paprsku (kollimační šířku) a jsou optimalizovány pro zpracování materiálů a pumpovací aplikace diodových laserů.

FAC čočky od LIMO, například FAC 300, dosahují výkonových hodnot na hranici fyzikální možné:

- Standardní ohnisková vzdálenost od ≦160 µm do 3000 µm
- Povrchová vrstva (od VIS po FIR) s nízkou absorpcí
- Nízká zbytková divergence s vysokým výkonovým ziskem
- Vysoce indexové materiály (> 1,8)
- Propustnost > 99 % přes široké spektrum (například 770-1070 nm)